基于AT89C52智能吸尘器控制系统设计.docx

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基于AT89C52智能吸尘器控制系统设计

序号：

编码：

安徽省第六届“挑战杯”课外学术科技作品竞赛

基于AT89C52智能吸尘器控制系统

作品名称：

基于AT89C52智能吸尘器控制系统

推荐单位：

合肥学院电子信息与电气工程系

申报者姓名盛玉娇

（集体名称）：

S-H

类别：

×自然科学类学术论文

×哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

×科技发明制作A类

√科技发明制作B类

2015年3月17日

基于AT89C52智能吸尘器控制系统

摘要本设计的智能吸尘器控制系统与智能小车的控制系统相似。

是以AT89C52单片机为控制核心，加以步进电机、光电传感器、超声波传感器、压敏传感器和电源电路以及其他电路构成。

系统是由AT89C52单片机通过IO口控制吸尘器的前进后退以及转向。

寻迹由RPR220型光电对管完成。

超声波传感器是用来躲避障碍物，而压敏传感器是用来检测吸尘器的垃圾桶是否装满再经过蜂鸣器进行报警提示。

显示台是由四位LED数码显示管和【定时/OFF】【时】【分】【ON/OFF】四个按键进行吸尘器的定时工作状态显示和启动控制。

关键词AT89S52单片机8255步进电机传感器数码管

Theintelligentcontrolsystemofdustcatcher

AbstractThedesignofintelligentcontrolsystemsandintelligentvacuumcleanercarsimilartothecontrolsystem.SCMisAT89C52forthecontrolofthecore,tosteppermotor,photoelectricsensors,ultrasonicsensors,pressure-sensitivesensorsandpowercircuit,aswellasothercircuit.SCMsystemisadoptedbytheAT89C52IOIcontrolthevacuumcleanerbackandforwardto.RPR220trackfindingbythecompletionofthephotoelectrictype.Ultrasonicsensorsareusedtoavoidobstacles,andpressure-sensitivesensorisusedtodetectthevacuumcleanerisfilledwithtrashagainafterawarningbuzzertips。

TaiwanisdisplayedbyfourLEDdigitaldisplayand【Timing/OFF】【When】【min】【ON/OFF】fourbuttonstocontrolthetimingofvacuumcleanersandworkingstatusshowsstartcontrol。

KeywordsAT89S52SCM8255ThesteppermotorSensorDigitalpipe

引言

随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A／D转换器、D／A转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。

这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊功能的简易智能机器人。

自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。

近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。

人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。

随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。

视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。

视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。

但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。

机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。

自动寻迹是基于自动导引小车（AGV—auto-guidedvehicle）系统，实现小车自动识别路线，判断并自动规避障碍，选择正确的行进路线。

采用与地面颜色有较大差别的线条作引导，使用传感器感知导引线和障碍判断。

智能吸尘器就依据自动小车的智能行走技术来改制而成，这种技术现在被泛的电器所采用。

利用传感的探测外界环境的状况在通过PC的处理来实现不用人功操作下智能的完成要打成的目的或任务。

这就是所谓的机器人的技术。

第一章系统的设计及模块方案的论证

1.1系统方框图

图1-1智能吸尘器控制系统的基本方框图

本系统的设计，是采用可篇程控制器对寻迹信号、避障信号以及垃圾桶检测信号进行采集处理和控制信号输出控制。

按设计的要求，本系统是具有定时工作功能，此功能是采用外制的延时时钟电路与可篇程控制器互相配合来实现此功能，为了能清楚的看到定时工作的状态与方便操作，在本系统里加了个显示模块，以达到需求。

另外，考滤到可篇程控制器的出输信号一般都比较弱，为了能让可篇程控制器输出的信号可以直接控制被控对象。

所以在可篇程控制器输出的信号加以驱动之后再去控制被控对象。

对本系统的供电电源设计，考虑到本系统对供电要求的比较高，因此电源上的设计可以采用电动车上的12V蓄电池供电，只要进行DC-DC处理之后就可以给整个系统供电，包括吸尘器的吸尘机工作电压，不过，在设计上的要求，本设计只是设计一个智能吸尘器的虚拟机，所以，在电源上的要求会于实际产品上电源要求有所区别，没实际产品上电源要求那么高。

整个系统的基本框图如图1-1所示。

1.2模块方案比较与论证

1.2.1主控器模块

方案1：

采用可编程逻辑期间CPLD作为主控器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。

并且，从使用及经济的角度上考虑，我决定放弃了此方案。

方案2：

采用Atmel公司的AT89C52单片机作为主控制器。

Atmel公司的AT89C52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，3个16位可编程定时计数器。

并且，该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。

自己制作51最小系统板，体积很小，下载程序方便，放在吸尘器上不会占用太多的空间。

并可作为模拟仿真仪。

从方便使用的角度考虑，我选择了方案2。

1.2.2寻迹模块

方案1：

采用光敏电阻组成光敏探测器。

光敏电阻的阻值可以跟随着周围环境光线的变化而改变。

当光线照射到白色物上面时，光线发射强烈，光线照射到黑色物上面时，光线发射较弱。

因此，光敏电阻在这两种物体上时，它的阻值会发生明显的变化。

将阻值的变化值经过比较器比较就可以输出高电平与低电平了。

但是这种方案受外界的光照影响很大，不能够稳定的工作。

因此我考虑其他更加稳定工作的方案。

方案2：

采用红外发射管和接收管自己制作的光电对管寻迹传感器。

红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到物质上反射回来的光线。

若红外接收管能接收到反射回来的光线，接收管工作则输出高电平；若红外接收管接收不到发射管发出的光线，接收管不工作则输出底电平。

这样就可以检测地面是否是平地或是坑地，自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作还是不够稳定，还会受到外界光线的影响，因此我也放弃了些方案。

方案3：

采用RPR220型光电对管。

RPR220型光电对管是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度的硅平面光电三极管。

RPR220型光电对管采用DIP4封装，其具有如下特点：

1.塑料透镜可以提高灵敏度。

2.内置可见光过滤器能减小离散光的影响。

3.体积小，结构紧凑。

当RPR220型光电对管的发射器发出的光反射回来时，它的接收器工作（三极管导通）则是低电平输出；反之，则是高电平输出。

RPR220型光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

因此我们选择了方案3。

1.2.3避障模块

方案1：

采用红外光电开关进行避障。

红外光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射回来，受光器最终据此作出判断反应。

它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。

当有光线反射回来时，输出低电平。

当没有光线反射回来时，输出高电平。

可惜，如果检测到的物体不能将投光器发出的光束反射回来的话，那么就会造成检测错误。

方案2：

采用超声波传感器进行避障。

超声波传感器的工作原理是：

超声波是由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被压电陶瓷超声波传感器接收。

然后将这信号进放大处理之后再送入单片机内。

这样，不管遇到怎样的障碍物，它都可以正确的检测到，就不会造成误判的结果。

跟据上面的两个方案进行比较后我最终选择了方案2。

1.2.4垃圾桶检测装置

方案1：

采用压电式传感器制作的检测器来检测垃圾桶内的状况装置。

压电式传感器具有体积小，高频响应好。

但是，受潮后易产生漏电。

所以压电式传感器不适合本系统设计的采用。

方案2：

采用应变式传感器制作的检测器来检测垃圾桶内的状况装置。

应变式传感器是根据应原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应变力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。

它具有测量范围宽、精度高、动态响应好、结构简单、体积小、重量轻，使用起来方便，双是价格低廉的产品。

上面两种方案我决定采用第二种方案来作垃圾桶检测装置。

1.2.5电机模块

本系统虽然是智能吸尘器控制系统，并且是在模拟台上实现。

所对驱动电机的选择就显得没那么重要。

假如是实际产品上，那驱动电机的选择就显得的十分重要。

按设计的要求我设计了两种方案进行比较。

方案1：

采用直流减速电机。

直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。

由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。

可是，安的转过角度不精确定位，行走的速也过于快，不适全吸尘器的使用，吸尘器的行走速度要求缓慢，转向定位要求要精确。

所以，我没采用直流减速电机做为吸尘器的行走工具。

方案2：

采用步进电机作为该系统的驱动电机。

步进电机转过的角度可以精确的定位，可以实现吸尘器前进路程和位置的精确定位。

步进电机的输出力矩较低，转速比较缓慢，能够符合吸尘器的要求。

因此我选择了第二种方案。

1.2.6电机驱动模块

方案1：

采用分立元件构成驱动电路。

由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。

但是这种电路工作性能不够稳定，驱动力也较低。

方案2：

采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个电机，而且还带有控制使能端。

用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

因此，我选用了方案2。

1.2.7显示台显示模块

方案1：

采用数码管静态扫描显示。

数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了。

并且，可以直接用七段译码器进行驱动译码，方便于程序的篇写。

方案2：

采用LCD液晶进行显示。

LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大。

可是价格高，不适合小功能采用。

因此，我采用方案1做为显示台。

1.2.8电源模块

因本系统是在模拟台上实现，所以对电源的要求不高，下面是我设计的方案。

方案1：

采用12V蓄电池为系统供电。

蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。

这个方案是适用于实际产品上。

方案2：

采用3节4.2V可充电式锂电池作为主电源，再经过DC-DC处理后为系统供电。

采用此种供电方式，设计方便，也满足模拟台的供电要求。

而本设计的DC-DC处理是采用LDCTV技术中的DC-DC处理电路。

这样也可以使用在实际产品上。

两种方案经比较，我采用了第二种方案。

1.2.9延时时钟电路

方案1：

采用分立元件制成的延时时钟器。

用分立元件制作的延时时钟器虽然在价格上很低廉，但是，在设计上它会随着延时时间长采用的元件也跟着升，给设计都带来了不便。

并且，它的工作状态也并不是很稳定。

所以，我没考滤用此方案。

方案2：

采用数字电路的触发器来制作延时时钟电路。

数字电路对信号处理很方便，也很清晰。

不过，彩用数字电路的COMS触发器的话。

在电源压降上会较大点，易于电耗电。

方案3：

采用NE555时基振荡电路制作时钟电路。

NE555时基振荡芯片不但价格上便宜，而且设计简便，延时时间长，稳定性能也高。

从上面方案上选择，我选择最后一个方案。

1.2.10最终方案

1.Atmel公司的AT89C52单片机作为主控制器

2.采用光敏电阻组成光敏探测器

3.采用超声波传感器组成超声波避障器

4.采用应变式传感器来作垃圾桶检测装置

5.采用步进电机作为该系统的驱动电机

6.采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片

7.采用静态扫描显示，并用七段译码芯片CD4511驱动译码显示

8.采用3节4.2V可充电式锂电池作为主电源，再经LDCTV技术中的DC-DC处理电路对电压进行转换处理

9.采用NE555时基振荡电路作系统的延时时钟电路

第二章硬件的实现及单元电路的设计

2.1微控制器模块的设计

Atmel公司的AT89C52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，3个16位可编程定时计数器。

并且，该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。

另外，自己所设计的51最小系统板操作简单，使用方便。

并且，下载线也可以自己制作。

本系统的功能比较大，用到的I/O口也多，因此，为了满足要求，我采用了一块I/O扩展芯片8255来扩展AT89C52单片机的I/O口。

下面图2-1是51系统与I/O扩展芯片的电路图：

图2-1AT89C52单片与的I/O接口电路

2.2光电对管寻迹电路的设计

按上面方案比较的要求，我设计了两种光电对管寻迹电路，并且对这两种电路再次进行比较、分析与调试。

选出最佳的电路。

2.2.1光电对管寻迹电路的设计分析

本系统的寻迹电路是由光电对管对外部环境的采集转换，在通过信号处理电路后在送入单片进行处理。

图2-2光电对管检测电路A

图2-2所示电路中，R201电阻是起限流电阻的作用，当光电对管RPR200中的发光二极管发射出光线后，如果有光反射回来时，光电对管RPR200中的三极管接收到反射光，导通，R202电阻的上端变为高电平，此时VT201饱和导通，三极管VT201的集电极输出低电平。

如果没有光反射回来时，光电对管RPR200中的三极管接收不到反射，不导通，R202电阻的上端的电压很小，为低电平，此时VT201处于截至状态，其三极管VT201的集电极输出高电平。

另外，三极管VT201在该电路中起到滤波整形的作用。

经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，不是很完善，输出还有杂散干扰波的成分。

如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。

但是，此电路的供电电源的压降较大。

图2-3光电对管检测电路B

图2-3所示电路中，是采用一个比较器来和光电对管构成的寻迹电路。

电路中的可调电阻R3可以调节比较器的门限电压。

当光电对管RPR220不工作时，光电对管RPR220中的接收管截至，＋5V电压经过R202分压后输入比较器U201的同向输入端，经过比较器比较，同向输入端的电压大于反向输入端的电压，所以比较器U201的输出端将是一个高电平输出。

反之，光电对管RPR220工作，光电对管RPR220中的接收管导通，把输入比较的同向输入端的电压拉地掉，此时，比较器的同向输入端的电压小于反向输入端的是电压，所以比较器U201的输出端将是一个低电平输出。

经试验和经示波器的验证，比较器输出波形相当规则，可以直接供单片机查询使用。

另外，经试验验证，给此电路供电的电源的压降较小。

因此我选择此电路作为我的寻迹电路。

为了让光电对管接收到反射光时送给单片的电平是高电平，而接收不到时接收到时送给单片机的电平为低电平。

我在这个寻迹电路送出的控制电平加个反向器就可实现。

这样，一可隐定寻迹电路送的的电平，二还可以在寻迹电路出异常时送给单片的信号与光电对管接收不到反射光的输出信号保持一致，以便于篇程。

2.2.2寻迹光电对管的安装

在寻迹传感器的设计中，我在吸尘器的吸尘口与车体底盘之间的中端装有一个传感器，用来起到寻迹的作用。

靠后一点的车体底盘两边成对称装上两个传感器，作为场地边界的检测，这样可以防止吸尘器冲出场地。

2.3超声波避障电路的设计

2.3.1超声波传感器的基本原理

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

超声波传感的表准工作频率一般是30KHZ、40KHZ、70KHZ这三种，一般常用的是40KHZ。

所以本系统就是采用40KHZ频率的超声波传感器。

2.3.2超声波发射电路和设计

超声波发射电路是彩用一个超声波频率通过电声转换器将该频率成折射式发射在介质空间里。

本系统是设计一个40KHZ的超声波发射器。

图2-440kHZ超声波发射电路

图2-4是由NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电路中的可调电阻器TP_R303阻值，可以改变振荡频率。

由NE555第3脚输出端驱动超声波换能器TCT40-10F1，使之发射出超声波信号。

电路简单易制。

电路工作电压9V，工作电流40~50mA。

发射超声波信号大于8mb。

2.3.3超声波接收电路的设计

超声波接收电路是一个将接收到指定超声波声信号转换成电信的转置，本系统设计的是一个40KHZ的超声波接收器。

图2-540kHZ超声波接收电路

图2-5是个单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器TCT40-10R1谐振频率为40kHZ，经TCT40-10R1选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1~VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，再经比较器U302比较后供给单片机查询使用。

电路工作电压3V，静态电流小于10mA。

检测距离可以通过可调电阻器TP-R311的阻值来决定，长的可达到8m以上，短的可以达到0.30m。

2.3.4超声波传感的安装

在吸尘器的吸尘体中间前端安置一对作为前方障碍探路。

同样的，在吸尘器后方安置一对，以免倒退时撞某东西。

而安置在一起的一对超声波传感器，作为射器的安置在作为接收器的下方。

因为超声波传感器是以射线形式发射的。

2.4垃圾桶检测装置的设计

2.4.1应变式传感器原理

应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应变力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。

电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。

电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的放大器进行放大，再传输给处理电路或执行机构。

2.4.2垃圾桶检测装置电路的分析

垃圾桶检测装置主要是由一个压敏传感器对垃圾桶内的垃圾量达到一定的升度时触发到它而产生的一个物理量变化转可控制电量信号的装置，具体情况如图2-4-1所示，当电阻应变片压敏传感器触发到外力的作用时，电阻应变片的阻值产生变化，应变电桥RP输出的电压也随之而变，应应变电桥输出的电压微弱，所以还要经过VT101、VT102两个放大管与其它分立元件制成的二极放大器放大后采送给后续的处理器。

图2-6中FB101电感和C102电容是起耦合滤波作用，而U302运放集成LM393和R104、R105组成一个比较器。

改变可调电阻R104的阻值可以调解垃圾桶检测装置的敏度。

图2-6电阻应变片传感器检测压力的压敏电路

2.4.3电阻应变片传感器的安装

电阻应片传感器是是贴粘在一块薄膜金属片上，薄膜金属片的形状是于智能吸尘器的垃圾桶桶盖一样，而垃圾桶桶盖是从上向下式的。

桶盖内部成凸塞式的，薄膜金属片就安在那凸塞出的位置。

2.5电机驱动电路的设计

我采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计如图2-7所示：

图2-7L298电机驱动电路

L298N的IN1、IN2、IN3、IN4四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个步进电机的正反转和转速。

2.6显示电路的设计

显示模块我是采用静态扫描显示，因为静态扫描显示可以省了好多单片机的I/O口。

它的显示形式是利用人眼的视差而设计的，在人眼看不到变化速度下不断的以一个一个扫描显示出来。

变化的时间差不多在30ms以下。

显示驱动是采用七段译码器CD4511,这样不但可以做为数码管的显示驱动还可以带来篇程的方便。

体系统采用的显示电路如图2-8所示。

图2-8三位数码管显示电路

2.7时钟电路的设计

由555